弱く相互作用する塊状粒子 – 定義

天体物理学では、 WIMP (「弱く相互作用する大粒子」の英語の頭字語) が暗黒物質問題の解決策となります。

これらの粒子は通常の物質（核子、電子）と非常に弱く相互作用し、その相互作用断面積はピコバーンのオーダーです。この非常に弱い相互作用は、（原子核程度の）大きな質量と関連しており、暗黒物質の信頼できる候補となっています。

理論

導入

暗黒物質は、通常の物質 (陽子、中性子、電子) で構成されるバリオン暗黒物質と、エキゾチックな粒子で構成される非バリオン暗黒物質の 2 つの形態に分けられます。

非バリオン暗黒物質は 2 つの成分に分けられます。一方はバリオン物質と熱平衡状態で生成された光粒子を集める、いわゆるホット成分 (またはホットダークマターの HDM) であり、他方はその成分です。 -光子と物質の分離時に非相対論的粒子を集めるコールド ワン (またはコールド ダーク マターの CDM) と呼ばれます。 WIMP は、この冷たい非バリオン暗黒物質の一部です。

WIMP は通常の物質との相互作用が弱いという性質に加えて、安定性も特徴です。これらの特性により、これらの粒子には大量の遺物が含まれます。この粒子は以後 χ と表記されます。

宇宙の温度が m _χより高い場合、粒子は熱平衡状態にあり、その密度は温度の3 乗に比例し、平衡状態はクォークまたはレプトンの消滅反応によって保たれ、その逆も同様です。

温度が m _χより低くなると、消滅速度 <σ Avn _χ > が宇宙Hの膨張速度より高いままである限り、その存在量は指数関数的に減少します。

<σ Avn _χ > がHより小さくなると、消滅は止まり、粒子の密度は凍結し、そのとき遺物の密度について話します。

<σ Av は、ll (レプトン-反ティレプトン) または qq (クォーク-反クォーク) における χ χ の全消滅断面積とそれらの相対速度の積の平均です。 WIMP の密度の時間の経過に伴う変化は、ボルツマン方程式によって説明されます。

この方程式は、ディラック粒子とマヨラナ粒子 (χ がそれ自身の反粒子である場合) の両方について検証されます。粒子と反粒子の非対称性が存在しない場合、粒子と反粒子の合計数は 2n _{\chi です。} ;非対称の場合、これが遺物密度の値を与えます。

ボルツマン方程式は、WIMP の電流密度の近似解を与えます。

Ω _χ h ² = m _χ n _χ / ρc = 3 10 ^-27 cm3。 s ^-1 / σ Av

超対称WIMPS

素粒子物理学の標準モデルは、自然界の 4 つの基本的な相互作用のうち、強い相互作用、弱い相互作用、電磁相互作用の 3 つについて説明します。最後の 2 つは 電弱相互作用に統合されます。これはゲージ対称性の適用に基づいており、モデルのゲージ グループは SU(3 _C x SU(2) _L x U(1) _Y)です。

標準模型の予測は長年にわたって実験的に非常によく検証されてきましたが、粒子の質量はどこから来るのか、すべての相互作用を単一の統一理論に統合できるのかなど、重要な点は未解決のままです。これらの質問に答えようとするために、超対称性(SUSY とも呼ばれる) のアイデアが導入されました。

超対称性の主な目的は、大統一への一歩を可能にすることです。それは実際に、ボソンとフェルミ粒子の間、または物質と相互作用の間の統一を導入します。

これは、ポアンカレ群の生成器 (時空間の移動と回転) に N 個の新しい生成器を追加することによって可能になります (N は最大 8)。ゲージ対称とは異なり、これらのジェネレーターは粒子のスピンを半整数値だけ変更し、ボーソンとフェルミ粒子をグループ化する超多重項を作成します。

ニュートラリーノ

MSSM フレームワークの最も軽い粒子は 4 つのニュートリノの中で最も軽いものですが、パラメーターの特定の値ではスニュートリノ (ニュートリノのスーパーパートナー) が最も軽い粒子になる可能性がありますが、このケースは好ましくありません。ニュートラリーノは、いくつかの粒子の線形結合です: zino、photino、higgsinos、それぞれ Z ⁰ 、光子、中性ヒッグス粒子の超対称パートナーです。

実験的検出

WIMP の直接検出

ニュートラリーノは物質との相互作用が非常に弱いため、検出が困難であることが判明しています。ニュートリノと同様に、ニュートラリノは太陽や地球を構成する物質を何の影響も与えずに通過できます。

したがって、多数の WIMP が大きな「検出量」に遭遇すると、少なくとも年に数回はある種の反応を引き起こすことが期待されます。 WIMP 検出実験の一般的な戦略は、大量の測定を可能にする、可能な限り最も感度の高いシステムを見つけることです。この戦略は、ニュートリノの発見と検出中に学んだ教訓に基づいています。

モダーン地下実験室 (フレジュストンネル) に設置されたフランスのエーデルワイス(CNRS-CEA) の共同研究とスーダン鉱山に設置されたアメリカの CDMS 共同研究で使用されている技術は、非常に低い温度に冷却された複数の結晶の使用に基づいています。シリコンとゲルマニウム）。このテクニックは現在、ニュートラリーノのデモンストレーションに最も有望です。

現在の経験

• CDMS: http://cdms.berkeley.edu
• クレスト： http://www.cresst.de/
• DAMA: http://www.lngs.infn.it/lngs/htexts/dama/
• エーデルワイス: http://edelweiss.in2p3.fr/index_newe.html
• HDMS Web サイト: http://www.mpi-hd.mpg.de/non_acc/dm.html
• ZEPLIN Web サイト: http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/project/project.html